項(xiàng)目教學(xué)法在PLC 應(yīng)用技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

劉文秀，王杏進(jìn)，郭偉

（1.韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，韶關(guān)512005；2.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，韶關(guān)512126）

0 引言

作為一種先進(jìn)的控制器，PLC 工作可靠，能適應(yīng)非常惡劣的工作環(huán)境，廣泛的應(yīng)用于控制領(lǐng)域。另外PLC 控制技術(shù)是工業(yè)控制三大支柱之一，可以說(shuō)PLC應(yīng)用的深度和廣度是一個(gè)國(guó)家工業(yè)先進(jìn)的重要標(biāo)志之一。在高等教育中，電氣自動(dòng)化、機(jī)電類專業(yè)的教學(xué)中，《PLC 控制技術(shù)》是一門重要的專業(yè)課。課程涉及的知識(shí)廣、內(nèi)容多，并且更新發(fā)展快，是一門既強(qiáng)調(diào)理論又注重實(shí)踐應(yīng)用的課程[1]。從近幾年已經(jīng)畢業(yè)的學(xué)生從事的工作情況調(diào)研分析中可以看出，對(duì)于從事電氣控制領(lǐng)域相關(guān)工作的學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)好PLC 的控制技術(shù)有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。為了進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，課題組教師針對(duì)PLC 的控制技術(shù)采用項(xiàng)目教學(xué)的方法，實(shí)現(xiàn)模塊化的教學(xué)方式，來(lái)提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足及項(xiàng)目教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)

目前我校的機(jī)制設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的《機(jī)電傳動(dòng)控制》課程與自動(dòng)化專業(yè)《電器與可編程序控制器》課程都涉及PLC 應(yīng)用技術(shù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，兩門課程的教學(xué)內(nèi)容實(shí)踐性強(qiáng)、緊密聯(lián)系工程實(shí)際。課程要求學(xué)生掌握可編程序控制器（PLC）的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、指令系統(tǒng)、PLC 的編程方法以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)為理論與實(shí)踐相結(jié)合，軟件與硬件兼施，具有多變性、綜合性、典型性、實(shí)踐性和實(shí)用性五大教學(xué)特點(diǎn)[2]。而目前PLC 教學(xué)教材的內(nèi)容，大部分都是先介紹PLC 的概述和PLC 的工作原理，然后講述PLC 控制系統(tǒng)的硬件配置及I/O 接口，軟件的使用方法，編程語(yǔ)言的種類，各類功能指令和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。在這種傳統(tǒng)固有的教學(xué)模式中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式把過(guò)多的時(shí)間用到了指令的講解過(guò)程中，枯燥乏味，不容易記憶，學(xué)生對(duì)課程中的知識(shí)點(diǎn)理解不夠透徹，同時(shí)浪費(fèi)了大量的時(shí)間去記憶理解各種基本指令和功能指令，而忽略了各個(gè)指令在具體項(xiàng)目任務(wù)中的作用及使用方法。綜合以上PLC 控制技術(shù)的特點(diǎn)，本門課程的學(xué)習(xí)需要一個(gè)很好的載體，利用項(xiàng)目教學(xué)法為主線，以學(xué)生為主體，通過(guò)項(xiàng)目的方式，把理論知識(shí)充分地融入到實(shí)踐中去。采取任務(wù)和項(xiàng)目貫穿在整個(gè)的教學(xué)過(guò)程中，這樣可以充分地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，加強(qiáng)和培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)，而且通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神[3]。

2 項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)施的過(guò)程

2.1 項(xiàng)目?jī)?nèi)容的設(shè)置

項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施關(guān)鍵在于在教學(xué)過(guò)程中有針對(duì)性的針對(duì)教學(xué)中的理論知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的項(xiàng)目?jī)?nèi)容。因此項(xiàng)目的設(shè)置要科學(xué)合理，要緊密圍繞人才培養(yǎng)方案，統(tǒng)籌安排項(xiàng)目?jī)?nèi)容[4]。

在項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施中，依據(jù)我校近年實(shí)驗(yàn)室的投入建設(shè)，充分利用硬件資源，同時(shí)綜合考慮實(shí)踐性、綜合性、創(chuàng)新性的要求，因此所設(shè)置的項(xiàng)目按照逐次遞進(jìn)、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、不斷深入、最后綜合的方式展開(kāi)，以這種科學(xué)合理全面的方式進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，設(shè)計(jì)了四個(gè)難度等級(jí)的項(xiàng)目，由易到難，實(shí)現(xiàn)階梯化的實(shí)踐項(xiàng)目。

（1）基礎(chǔ)性項(xiàng)目

基礎(chǔ)性項(xiàng)目的設(shè)置主要是針對(duì)教學(xué)中理論知識(shí)點(diǎn)和主要的功能指令而設(shè)置，通過(guò)基礎(chǔ)性的項(xiàng)目的實(shí)施，讓學(xué)生了解PLC 的結(jié)構(gòu)、外部接線、編程軟件的使用、基本的指令的使用方法。具體項(xiàng)目有編程軟件的使用、符號(hào)表應(yīng)用、用編程軟件調(diào)試程序、位邏輯指令、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、比較指令、位移與循環(huán)指令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令、時(shí)鐘、數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算指令的應(yīng)用等。

（2）綜合性項(xiàng)目

綜合性的項(xiàng)目主要以現(xiàn)實(shí)生活中常見(jiàn)的控制展開(kāi)，用學(xué)生較熟悉的場(chǎng)景激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)展綜合性的項(xiàng)目，更加深入理解PLC 課程中的理論知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)一步提高學(xué)生編寫程序的能力及調(diào)試程序的方法。具體的項(xiàng)目有噴泉的控制、數(shù)碼顯示的控制、舞臺(tái)燈光的控制、天塔之光的控制、交通燈的控制、四節(jié)傳送帶、軋鋼機(jī)、郵件分揀、裝配流水線、液體混合、機(jī)械手、水塔水位的模擬控制等。在實(shí)際的實(shí)施過(guò)程中教師可以從中選擇幾個(gè)項(xiàng)目讓學(xué)生開(kāi)展工作，達(dá)到人才培養(yǎng)的目的。

（3）提高性項(xiàng)目

提高性的項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)室提供的光機(jī)電氣一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工件的定向出料辨識(shí)、分揀和水位的恒壓過(guò)程控制。項(xiàng)目集成了PLC 編程技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、觸摸屏組態(tài)技術(shù)、電機(jī)調(diào)速技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)、創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，能真實(shí)體現(xiàn)現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的運(yùn)作流程狀況。要求學(xué)生根據(jù)具體的控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)梯形圖程序編寫并反復(fù)調(diào)試程序?qū)崿F(xiàn)控制任務(wù)，從而內(nèi)化學(xué)生的實(shí)踐技能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力和創(chuàng)造力。

由于系統(tǒng)處理的是射頻信號(hào)，故需要注意布線時(shí)的阻抗問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用T-G-G-B(頂層-地-地-底層)的層疊結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整線寬及層間距達(dá)到阻抗匹配。對(duì)于高速信號(hào)走線，由于趨膚效應(yīng)造成走線周圍具有電磁場(chǎng)，容易造成相鄰線材的耦合干擾。為使走線間耦合干擾達(dá)到可以忽略，布線時(shí)需要滿足3W原則(走線中心間隔滿足3倍線寬)。

（4）實(shí)踐性項(xiàng)目

實(shí)踐性項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)室工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為載體。實(shí)踐內(nèi)容是基于PLC 與GMC 控制器下的六軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物料的上下料、打磨、沖壓、焊接等實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。項(xiàng)目同樣集成了PLC 編程技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、通信技術(shù)、觸摸屏組態(tài)技術(shù)等。通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作的精神。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程

PLC 課程是專業(yè)核心課程，對(duì)實(shí)踐性、創(chuàng)新性有較高的要求。在項(xiàng)目教學(xué)的過(guò)程中，教師先完成基礎(chǔ)知識(shí)的講授，讓學(xué)生更加深入的理解專業(yè)知識(shí)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際情況，采用接近實(shí)際工程的實(shí)踐項(xiàng)目，逐步引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]。

為了保證實(shí)際教學(xué)的質(zhì)量，課題組教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，把學(xué)生按照優(yōu)、良、中，強(qiáng)弱搭配進(jìn)行分組。當(dāng)較弱的學(xué)生遇到困難時(shí)由能力較強(qiáng)的同學(xué)幫助引導(dǎo)，這樣可以有效地提高學(xué)習(xí)效率。另外學(xué)生的分組情況應(yīng)該從多方面綜合考慮，如：學(xué)生的性格、理解能力、團(tuán)隊(duì)精神、動(dòng)手能力，等等。為保證順利開(kāi)展各個(gè)項(xiàng)目，要求每組學(xué)生應(yīng)該先明確每個(gè)人的任務(wù)和職責(zé)，分配好相應(yīng)的工作，保證每個(gè)學(xué)生都參與項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。另外項(xiàng)目由易到難、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的設(shè)計(jì)也能兼顧到所有學(xué)生。

在項(xiàng)目教學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生根據(jù)具體項(xiàng)目的控制工藝流程給出合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、元件設(shè)備選型、系統(tǒng)硬件接線、繪制系統(tǒng)的順序功能圖、編寫梯形圖。

最后，要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成系統(tǒng)硬件接線，并且下載程序，完成程序調(diào)試工作，最后總結(jié)與交流。在此教學(xué)過(guò)程中，教師要巡視每個(gè)小組的完成情況，實(shí)時(shí)的掌握學(xué)生的動(dòng)態(tài)。當(dāng)學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)，在尊重學(xué)生原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，給學(xué)生適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和啟發(fā)，協(xié)助學(xué)生解決實(shí)際遇到的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的完成。通過(guò)實(shí)踐平臺(tái)把專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)踐操作緊密結(jié)合起來(lái)。

總之，項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生為主，教師為輔，具體過(guò)程如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程圖

在項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施過(guò)程中，教師的主要作用是協(xié)調(diào)組織管理工作，以確保項(xiàng)目的順利開(kāi)展。因此重點(diǎn)應(yīng)該以學(xué)生為主體，教師在授課的過(guò)程中不能占用太多的時(shí)間去講解理論知識(shí)，只需要給學(xué)生做適當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)即可，這樣既保證了項(xiàng)目的理論基礎(chǔ)，同時(shí)學(xué)生又通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)得到了鍛煉的機(jī)會(huì)。教師只需要在學(xué)生需要幫助的時(shí)候給予適當(dāng)?shù)奶崾竞蛶椭纯蒣6]。

3 項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)施的效果

在PLC 的教學(xué)過(guò)程中，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生對(duì)課程的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)理解不透徹，而且利用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力較弱。而采用項(xiàng)目教學(xué)法后，有效地把實(shí)踐教學(xué)和實(shí)際工程緊密聯(lián)系。通過(guò)基礎(chǔ)性項(xiàng)目、綜合性項(xiàng)目、提高性項(xiàng)目、實(shí)踐性項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)，有效地把所學(xué)的理論知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生透徹的理解課程的知識(shí)點(diǎn)并達(dá)到應(yīng)用的目的，使其專業(yè)能力和綜合能力有效的提高。課程教學(xué)質(zhì)量顯著提高，學(xué)生在專業(yè)技能創(chuàng)新能力上顯著提高[7]。

采用項(xiàng)目法教學(xué)方式，還可以提升學(xué)生以下能力：

（1）通過(guò)具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線的檢測(cè)、監(jiān)控、執(zhí)行等部分的硬件設(shè)計(jì)、硬件裝配、硬件檢修及硬件維護(hù)的能力。

（2）通過(guò)具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)、設(shè)備的選型、程序的編寫和調(diào)試以及硬件維護(hù)維修的能力。

（3）通過(guò)具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題的解決能力。隨著自動(dòng)控制設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的處理能力要求也越來(lái)越高。

在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，師生之間亦師亦友，可以通過(guò)共同探討的方式對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行有效的解決，讓學(xué)生更多地參與到實(shí)踐中去，充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)生積極性和主動(dòng)性。通過(guò)兩屆學(xué)生的實(shí)踐表明，項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施，對(duì)人才的培養(yǎng)發(fā)揮了有效的作用。通過(guò)項(xiàng)目教學(xué)法，學(xué)生在學(xué)科競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的開(kāi)展中取得了顯著的成績(jī)。特別是在第四屆、第五屆的“歐姆龍杯”自動(dòng)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽中，獲得了二等獎(jiǎng)一項(xiàng)、三等獎(jiǎng)三項(xiàng)、最佳創(chuàng)意獎(jiǎng)一項(xiàng)的成績(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

在PLC 應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)中，采用項(xiàng)目教學(xué)的方法，把具體的知識(shí)點(diǎn)以項(xiàng)目的方式呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐的方式理解并掌握理論知識(shí)，避免了填鴨式的教學(xué)方式，使得學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中掌握知識(shí)的實(shí)質(zhì)并應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)其專業(yè)能力和綜合能力的顯著提升。以學(xué)生為主體，教師適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性和積極性，通過(guò)學(xué)生組隊(duì)完成項(xiàng)目，學(xué)生明確了學(xué)習(xí)理論知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生自我實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)合作及與人溝通的能力，達(dá)到了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。